(57)【要約】【課題】  シリコーンゴムなどの可撓性を有する基板を用いてモールド法により作製されるマイクロチャネルを集積化したマイクロ流体素子において、安定したマイクロチャネルの断面形状を保持できると共に、薄型で柔軟性を有するマイクロ流体素子及びその作製法を提供すること、さらにそのマイクロ流体素子を用いたマイクロ流体デバイスを提供することである。【解決手段】  マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方が、支持体により支持されていることを特徴とするマイクロ流体素子である。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、
前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方が、支持体により支持されていることを特徴とするマイクロ流体素子。
【請求項２】
前記支持体の曲げ弾性率が、該支持体により支持されるチャネル形成体及び／または基材の曲げ弾性率より大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項３】
前記支持体の曲げ弾性率が１．９６×１０3〜３．９２×１０3ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ流体素子。
【請求項４】
マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、
総厚みＬが０．２〜１．０ｍｍの範囲、総厚みＬに対する前記マイクロチャネルの最大深さＨmaxの比（Ｈmax／Ｌ）が０．００１〜０．８の範囲であり、かつマイクロチャネルの最大深さＨmaxに対する最小深さＨminの比（Ｈmin／Ｈmax）が０．８〜１の範囲であることを特徴とするマイクロ流体素子。
【請求項５】
前記基材の表面に、前記チャネル形成体との接合部分と前記マイクロチャネルとなる溝部分とに跨って、電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ流体素子。
【請求項６】
前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方に、マイクロチャネル以外の空隙が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ流体素子。
【請求項７】
マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体を作製する工程と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に基材を接合する工程とを含み、
前記基材を接合する工程の前に、前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方に、支持体を具備させる工程をさらに有することを特徴とするマイクロ流体素子の作製方法。
【請求項８】
前記基材を接合する工程の後に、前記支持体を具備させたチャネル形成体及び／または基材から前記支持体を取り除く工程をさらに有することを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流体素子の作製方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ流体素子が可撓性素子の表面または内部に配置され、該可撓性素子と前記マイクロ流体素子とが電気的な授受を行うことを特徴とするマイクロ流体素子搭載装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体素子、すなわち液体や気体の流体移動を行うマイクロチャネル内に反応部、検出部などの構造が形成された素子、及びその作製法に関し、さらにそれを応用したマイクロ流体素子搭載装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応・分離・抽出・検出などの基本化学操作を行うことのできるマイクロチップが盛んに研究されている。このマイクロチップを用いることで、基本化学操作を行う反応空間の集積化、小型化が可能となり、合成機器や分析機器などへの適用が検討されている。
【０００３】
マイクロチップにおける化学操作によれば、微量の試料での実験を可能となるだけでなく、微小反応空間を多数集積化することで、研究室で開発された反応を実用化に適した規模まで容易にスケールアップすることが可能となる。
【０００４】
マイクロチップの構成要素は、断面寸法が数十〜数百ミクロンのマイクロチャネルである。マイクロチャネルは通常２枚の板、すなわち微細なチャネルとなる溝を形成した基板（チャネル形成体）と、平らな基板（基材）とを接合することによって形成される。
【０００５】
上記チャネル形成体を得るための微細な溝の加工技術及び２枚の基板の接合技術については、既に種々の方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。例えば、１以上の高いアスペクト比（溝の深さ／幅の寸法比）のマイクロチャネルを得るために半導体加工技術で使われるフォトリソグラフィーとドライエッチング技術とを用いてシリコン基板やガラス基板などに溝加工を行う方法、また、マイクロマシーン加工技術で使われるＬＩＧＡプロセスを用いてＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）の構造をめっきによって金属に転写する方法や、紫外線用の厚膜レジスト（エポキシ樹脂をベースとしたネガ型レジスト）の構造をシリコーンゴムなどに転写するモールド法がある。
【０００６】
これらのフォトリソグラフィー及びドライエッチング法、ＬＩＧＡプロセス法、モールド法は転写加工と呼ばれ、マイクロチップのスケールアップを行う際のマイクロチャネルの集積化に適した加工法である。これに対し、レーザー加工や切削加工といった逐次加工は、集積化を行わない多品種少量生産品に適している。
【０００７】
前記集積化に適した転写加工のうち、フォトリソグラフィー及びドライエッチング法では、加工装置が高価な上、溝加工を行う材料はシリコン基板やガラス基板など耐熱性の高い基板材に限定される。また、対向する基板との接合も陽極接合、直接接合といった方法が用いられるため、基板表面が平滑なガラス基板やシリコン基板に限定される。
また、前記ＬＩＧＡプロセス法はさらに加工装置が高価な上、溝加工を行う材料はめっきが可能な金属に限定される。また、対向する基板との接合は拡散接合で行うため、基板種は高温・高圧下に耐えられる金属板に限られる。
【０００８】
これに対し、前記モールド法は、比較的安価で簡易な装置で形成した厚膜レジストの構造を型にして他の材料に転写するものである。特にシリコーンゴムに転写した場合には、シリコーンゴム自体が粘着性を有するため、対向する基板表面が平滑であれば材質を問わずそのまま密着させ接合することが可能であり、複雑な接合工程が不要である。
【０００９】
しかしながら、シリコーンゴムは可撓性を有するため、接合の際シリコーンゴムが変形すると流路の断面形状が変形してしまうことから、対向する基板との平行度を維持する必要がある。特にマイクロチャネルを集積化したマイクロチップを作製するには、シリコーンゴムの厚みを極力薄くすることが望まれるが、シリコーンゴムの厚みが薄い程、シリコーンゴムは変形し易く、流路の断面形状の変形が顕著になる。また、シリコーンゴムの厚みが薄くなる程、対向基板との接合時にシリコーンゴムが破損する確率が高くなる。
【非特許文献１】ファインケミカル，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１，ｐ．１５−２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、シリコーンゴムなどの可撓性を有する基板を用いてモールド法により作製されるマイクロチャネルを集積化したマイクロ流体素子において、安定したマイクロチャネルの断面形状を保持できると共に、薄型で柔軟性を有するマイクロ流体素子及びその作製法を提供すること、さらにそのマイクロ流体素子を用いたマイクロ流体素子搭載装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明は、
＜１＞  マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、
前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方が、支持体により支持されていることを特徴とするマイクロ流体素子である。
【００１２】
＜２＞  前記支持体の曲げ弾性率が、該支持体により支持されるチャネル形成体及び／または基材の曲げ弾性率より大きいことを特徴とする＜１＞に記載のマイクロ流体素子である。
【００１３】
＜３＞  前記支持体の曲げ弾性率が１．９６×１０3〜３．９２×１０3ＭＰａ（２００００〜４００００ｋｇｆ／ｃｍ2）の範囲であることを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載のマイクロ流体素子である。
【００１４】
＜４＞  マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、
総厚みが０．２〜１．０ｍｍの範囲、総厚みＬに対する前記マイクロチャネルの最大深さＨmaxの比（Ｈmax／Ｌ）が０．００１〜０．８の範囲であり、かつマイクロチャネルの最大深さＨmaxに対する最小深さＨminの比（Ｈmin／Ｈmax）が０．８〜１の範囲であることを特徴とするマイクロ流体素子である。
【００１５】
＜５＞  前記基材の表面に、前記チャネル形成体との接合部分と前記マイクロチャネルとなる溝部分とに跨って、電極が形成されていることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載のマイクロ流体素子である。
【００１６】
＜６＞  前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方に、マイクロチャネル以外の空隙が設けられていることを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載のマイクロ流体素子である。
【００１７】
＜７＞  マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体を作製する工程と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に基材を接合する工程とを含み、
前記基材を接合する工程の前に、前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方に、支持体を具備させる工程をさらに有することを特徴とするマイクロ流体素子の作製方法である。
【００１８】
＜８＞  前記基材を接合する工程の後に、前記支持体を具備させたチャネル形成体及び／または基材から前記支持体を取り除く工程をさらに有することを特徴とする＜７＞に記載のマイクロ流体素子の作製方法である。
【００１９】
＜９＞  ＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載のマイクロ流体素子が可撓性素子の表面または内部に配置され、該可撓性素子と前記マイクロ流体素子とが電気的な授受を行うことを特徴とするマイクロ流体素子搭載装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、薄型で可撓性を有するマイクロ流体素子及びその作製方法と、さらにこれを用いて基本化学操作を行う反応空間を集積化した薄型で可撓性のあるマイクロ流体素子搭載装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
＜マイクロ流体素子及びその作製方法＞
本発明の第１のマイクロ流体素子は、マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方が、支持体により支持されていることを特徴とする。
【００２２】
前記のように、モールド法でマイクロ流体素子を作製する場合、マイクロチャネルとなる溝が形成された基板（チャネル形成体）がシリコーンゴムのように可撓性を有すると、チャネル形成体と対向して接合される基板（基材）との接合の際、チャネル形成体及び／または基材が変形することによりマイクロチャネルとなる溝も変形してしまい、前記溝の底面と基材との平行度が維持できなかったりチャネル自体がつぶれてしまうことが多かった。そして、この現象は特に薄くて柔軟なマイクロ流体素子を得るために前記基材も可撓性を有するものとし、チャネル形成体及び基材の両者を薄いフィルム状のものにするとより顕著となる。
【００２３】
なお、上記「可撓性」とは、外力をかけて曲げるときの曲げやすさ（たわみやすさ）の程度をいい、小さい外力で容易に曲げられるほど可撓性が大きいことを意味する。
【００２４】
本発明者等が上記問題に対し鋭意検討した結果、前記チャネル形成体及び基材のうち少なくとも一方に支持体を設け、これらを接合させることにより、接合時のチャネル形成体及び／または基材の変形を最小限とすることができ、その結果、接合後にマイクロチャネルの形状が当初の溝形状を維持して形成され安定したチャネル形状を保持することができることを見出した。
さらに、接合後も前記支持体をチャネル形成体及び／または基材に存置させることにより、薄くて柔軟なマイクロ流体素子として使用時にも安定したチャネル形状を保持できることが判明した。
【００２５】
前記支持体としては、チャネル形成体や基材が通常板状であることから、これに具備させる支持体としても板状の形状であることが好ましく、可撓性を有するチャネル形成体や基材を支持するという観点からは、支持されるチャネル形成体や基材より曲がりにくい（たわみにくい）ことが好ましい。すなわち、本発明における支持体の曲げ弾性率が、支持体により支持されるチャネル形成体や基材の曲げ弾性率より大きいことが好ましい。
【００２６】
ここで、上記曲げ弾性率とは、ＪＩＳ  Ｋ７１７１に記載の方法にしたがって測定されるものであり、本発明における支持体の曲げ弾性率は、支持するチャネル形成体や基材の可撓性にもよるが、１．９６×１０3〜３．９２×１０3ＭＰａ（２００００〜４００００ｋｇｆ／ｃｍ2）の範囲であることが好ましく、２．１６×１０3〜３．３３×１０3ＭＰａ（２２０００〜３４０００ｋｇｆ／ｃｍ2）の範囲であることがより好ましい。
なお、本発明における支持体の具体例や、チャネル形成体、基材の形状、材質等については後述する。
【００２７】
本発明の第２のマイクロ流体素子は、マイクロチャネルとなる溝が形成された可撓性を有するチャネル形成体と、該チャネル形成体の前記マイクロチャネルとなる溝が形成された面に接合される基材とからなり、総厚みが０．２〜１．０ｍｍの範囲、総厚みＬに対する前記マイクロチャネルの最大深さＨmaxの比（Ｈmax／Ｌ）が０．００１〜０．８の範囲であり、かつマイクロチャネルの最小深さＨminと最大深さＨmaxとの比（Ｈmin／Ｈmax）が０．８〜１の範囲であることを特徴とする。
【００２８】
前述のように、薄くて柔軟性を有するマイクロ流体素子をマイクロチャネル形状を変形させることなく得ることは容易ではない。しかし、前記本発明の第１のマイクロ流体素子のように、チャネル形成体及び／または基材が支持体により支持されている場合には、マイクロチャネル形状が変形していないマイクロ流体素子を得ることができる。この場合、特に後述するように、チャネル形成体や基材に具備させた支持体を、接合後チャネル形成体及び／または基材から取り除くことにより、マイクロチャネル形状が変形しておらず総厚みが１ｍｍ以下のマイクロ流体素子を容易に得ることができる。
【００２９】
上記総厚みとは、チャネル形成体と基材とを接合した後のマイクロ流体素子自体の接合面を含む方向の厚さをいい、本発明の第２のマイクロ流体素子において総厚みは０．２〜１．０ｍｍの範囲である。また、総厚みは０．２〜０．８ｍｍの範囲であることが好ましく、０．２〜０．６ｍｍの範囲であることがより好ましい。
【００３０】
また、本発明の第２のマイクロ流体素子においては、上記総厚みの範囲で総厚みＬに対するマイクロチャネルの最大深さＨmaxの比（Ｈmax／Ｌ）が０．００１〜０．８の範囲である。ここでマイクロチャネルの最大深さとは、チャネル形成体と基材とを接合した後の接合面（基材表面）から前記総厚み方向に最も離れたマイクロチャネルの深さをいう。
上記Ｈmax／Ｌは０．００１６〜０．７２の範囲であることが好ましい。
【００３１】
そして上記条件のもと、第２のマイクロ流体素子においては、マイクロチャネルの最大深さＨmax対する最小深さＨminの比（Ｈmin／Ｈmax）が０．８〜１の範囲であることが必要である。ここでマイクロチャネルの最小深さとは、前記最大深さに対して、接合面から前記総厚み方向に最も近いマイクロチャネルの深さをいう。
【００３２】
本発明において、上記Ｈmin／Ｈmaxは０．９〜１の範囲であることが好ましく、０．９５〜１の範囲であることがより好ましい。Ｈmin／Ｈmaxが０．８に満たないと、マイクロチャネルを流れる流体の流れが不均一になり、このマイクロ素子を用いて行う反応・分離・検出などが安定して行えなくなる。
【００３３】
以下、本発明のマイクロ流体素子の構成とその作製方法について、図を用いて説明する。なお、本発明の第１、第２のマイクロ流体素子ともに支持体の有無以外は同様であるため、併せて説明する。
図１は、本発明のマイクロ流体素子の一例の構造を示した平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ’で切断した面の断面図である。マイクロ流体素子１は、マイクロチャネルとなる溝が形成されたチャネル形成体２と、該チャネル形成体２の前記溝が形成された面に接合される基材３とからなる。
【００３４】
このマイクロ流体素子においては、マイクロチャネルは図１に示すように、中央部の３本のマイクロチャネルがいずれも両端で２本のマイクロチャネル（流路）に分岐する構成となっている。また、図２に示すように、チャネル形成体２のマイクロチャネル部分の図における上方に、３本のマイクロチャネル全てを支持するように支持体７が埋め込まれている。
【００３５】
上記チャネル形成体２及び基材３は、前述のように両者を接合してマイクロ流体素子とするものであるため、通常は板状の形状である。そして、本発明においては少なくともチャネル形成体２が可撓性を有する。基材３は薄い板状基板であれば特に可撓性を有する必要はないが、薄くて柔軟性を有するマイクロ流体素子を得るという観点からは、基材３も可撓性を有することが好ましい。
【００３６】
チャネル形成体２を構成する材料としては、可撓性を有するものであれば特に制限されないが、例えば不飽和ポリエステル樹脂（例えば日立化成社製、ポリセット等）、シリコーンゴム（例えばダウコーニングアジア社製、シルポット等）を用いることができる。これらの中では、基板３との接合時における密着性に優れることからシリコーンゴムが好ましく用いられる。
チャネル形成体２が板状である場合、その厚さは０．３〜１．３ｍｍの範囲が好ましく、０．３〜０．７ｍｍの範囲がより好ましい。
【００３７】
一方、基材３を構成する材料としては、特に制限されないが、前記のように可撓性を有する基材とする場合には、樹脂フィルムや紙等を用いることができるが、形状加工が容易で適度な強度を有するポリエチレンテレフタタレート（ＰＥＴ）などポリエステルフィルム、ポリカーボネート（ＰＣ）フィルム等の樹脂フィルム用いることが好ましい。
基材３が板状である場合、その厚さは０．１〜１．３ｍｍの範囲が好ましく、０．１〜０．３ｍｍの範囲がより好ましい。
【００３８】
また、支持体７としては、前記のように通常チャネル形成体２や基材３が板状であることから板状のものが用いられるが、可撓性を有し支持するチャネル形成体２や基材３より曲げ弾性率が大きいものであることが好ましい。その材質は特に制限されないが、例えばシリコーンゴムからなるチャネル形成体２に、図２のように用いられる場合には、シリコーンゴムより曲げ弾性率の大きい前記ＰＥＴフィルムやＰＣフィルムが好ましく用いられる。
支持体の厚さは特に制限されないが、例えば図２に示すようにチャネル形成体２等の内部に埋め込まれる場合には、該チャネル形成体２等の厚さの９〜６０％の範囲であることが好ましい。
【００３９】
なお、支持体７は、図２に示すようなチャネル形成体２等に埋め込まれる態様ではなく、チャネル形成体２や基材３の接合面とは反対側の面（図２におけるマイクロ流体素子の上下面）に設けることもできる。また、基材３側に支持体７を設ける場合、基材３の曲げ弾性率がある程度以上であれば基材３そのものを支持体として兼用することもできる。
【００４０】
さらに、前記第２のマイクロ流体素子のようにチャネル形成体２と基材３とを接合後、支持体を取り除くことにより素子が作製される場合には、支持体は特に可撓性を有する必要はなく剛体でもよく、その厚さもチャネル形成体２や基材３の厚さによって制限されるものではない。
【００４１】
前述のように、本発明のマイクロ流体素子はマイクロチャネルとなる溝が形成されたチャネル形成体２と基材３とを接合することによって作製される。
チャネル形成体２は、前記モールド法によって作製される。具体的には、例えばシリコーンゴムによりチャネル形成体を作製する場合には、フォトレジストが塗布されたシリコン基板に所望のマイクロチャネル形状の反転型をパターニングし、これを鋳型として未硬化のシリコーンゴムを流し込み、硬化後この鋳型からはがすことにより得ることができる（チャネル形成体作製工程）。
【００４２】
流体の流路となるマイクロチャネル４の形状は、図１に示すような両端が２本に分岐した形状に限られず、素子としての機能に応じて種々の形状とすることができるが、流体の入り口となる部分は少なくとも２本以上に分岐していることがよい。
【００４３】
本発明におけるマイクロチャネル４のサイズは、幅（図２における左右方向の長さ）が１〜５０００μｍの範囲であることが好ましく、１０〜１０００μｍの範囲であることがより好ましい。また、深さ（図２における上下方向の長さ）は、１〜５００μｍの範囲であることが好ましく、１０〜１００μｍの範囲であることがより好ましい。
【００４４】
本発明においては、後述する接合工程の前にチャネル形成体２及び基材３のうち少なくとも一方に、支持体７を具備させる工程を有する。すなわち、可撓性を有するチャネル形成体２等を用いる場合に、マイクロチャネル形状が変形の影響を最も受けやすいのは接合時であるため、この接合時の前にチャネル形成体等に支持体７を具備させ支持することにより、接合時の変形を低減させる必要がある。
【００４５】
本発明において、前記「支持体を具備させる」とは、チャネル形成体等を支持できるように支持体を設けることを意味し、支持体がチャネル形成体等に内包されたり外面に接着されたりして一体となっていてもよいし、支持体がチャネル形成体等に着脱可能に設けられていてもよい。
支持体７の大きさとしては、チャネル形成体等と同一の大きさ（面積）であってもよいが、少なくともマイクロチャネルとなる部分全体を覆う程度の大きさであることが好ましい。
【００４６】
具体的に支持体を具備させる方法としては、例えばチャネル形成体２や基材３の接合面とは反対側の面（外面）に支持体７を設ける場合には、接合前に少なくともどちらか一方の外面に支持体７を貼り合わせればよい。また、図２に示すようにチャネル形成体２の内部に支持体７を埋め込む（内包する）場合には、例えば、前記鋳型に未硬化のシリコーンゴムを流し込む途中で支持体７を挟みこみ、次いでその上にシリコーンゴムをさらに流し込むことで支持体７を具備させることができる（支持体具備工程）。
【００４７】
支持体７を設ける位置としては、上記チャネル形成体２等の外面に貼り合わせても内包させてもよいが、作製されたマイクロ流体素子の強度の確保、素子作製の得率の観点から、図２のように内包させることが好ましい。この場合、支持体７はマイクロチャネル４の溝の底面からチャネル形成体２の外面までの長さの１４〜６０％の範囲を占めることが好ましい。
また、支持体７は、チャネル形成体２及び基材のどちらか一方もしくは両方に設けられるが、強度を重視するならば両方に設けられることが好ましい。
【００４８】
前記のように作製したチャネル形成体２と基材３との接合は、まずチャネル形成体２と基材３との精密な位置合わせを行い、その後両者を９８０〜９８００Ｐａ（０．０１〜０．１ｋｇｆ／ｃｍ2）程度の圧力で加圧することにより行うことができる。また、場合によっては加圧に加えて加熱することにより両者を融接することもできる。さらに、接合面に接着剤を介入させて接着してもよい（接合工程）。この場合、チャネル形成体２としてシリコーンゴムを用いれば、加圧のみによって基材３と密着させることができるため好ましい。
【００４９】
図３は、本発明のマイクロ流体素子の他の一例の構造（素子を用いて基本化学反応操作を行うために好ましい構造）を示す平面図、図４は図３におけるＢ−Ｂ’での断面図である。このマイクロ流体素子では、チャネル形成体２に流体が移動するマイクロチャネル４の他に、空隙５が形成されている。
【００５０】
図５は、上記マイクロ流体素子を作製する際の、チャネル形成体２と基材３とを接合時のチャネル形成体２の状態を模式的に示す断面図である。この場合、チャネル形成体２が撓みマイクロ流体素子の寸法変化量がΔｘの時、この寸法変化量Δｘは空隙５を設けたことにより、流体が移動するマイクロチャネル４と空隙５とに分散される。したがって、空隙５を設けたことによりチャネル形成体２と基材３との接合時のマイクロチャネルの変形量をより低減することができる。
【００５１】
本発明において、上記空隙５は図３に示すように、マイクロチャネル４が複数形成されている場合には、複数のマイクロチャネル４の各々の間の位置に、マイクロチャネル４の長さ方向にマイクロチャネルと同様の長さ、幅で形成されていることが好ましく、さらに各々の空隙５には、数カ所に長さ方向とは垂直方向にクロスするように短い空隙が形成されていることが好ましい。
【００５２】
上記空隙５は、前記チャネル形成体作製工程において、例えば鋳型にマイクロチャネル４の形状以外に加えて空隙５の形状も形成することによって、同様に形成することができる。
なお、この空隙５は基材３に形成されていてもよく、チャネル形成体２及び基材３の両方に形成されていてもよい。
【００５３】
一方、チャネル形成体２に接合される基材３の表面には、マイクロチャネル４内を移動する流体と電気的なエネルギーの授受を行う電極６が形成されている。この電極６は、図３や図４に示すように、前記目的を達成するため基材３のチャネル形成体２との接合部分とマイクロチャネルとなる溝部分とに跨って形成されていることが好ましい。
【００５４】
上記電極６の材料としては、白金、白金黒、金、銀、チタンなどの金属体、もしくは、グラファイトやカーボンナノチューブ等の炭素構造体などを用いることができる。
なお、上記電極６は、例えば基材３としての樹脂フィルム表面にマスクを用いて金を蒸着すること等によって形成することができる。
【００５５】
図３に示すマイクロ流体素子は、図４に示すような支持体７をチャネル形成体２に内包させる場合には、前述と同様の方法により作製することができる。一方、図６の断面に示すように、同様の支持体７をチャネル形成体２の接合面とは反対側の面（外面）に設けることによっても、変形量の少ないマイクロチャネル４を有する素子として作製することができる。そして、図６に示す素子は、支持体７をそのまま貼り合わせた状態で、充分な強度を保持しつつ使用することができる。
【００５６】
さらに、図６に示すようにチャネル形成体２の外面に支持体７を貼り合わせた状態でチャネル形成体２と基材３とを接合しマイクロ流体素子を作製した後、支持体７を取り除いてもよい（支持体を取り除く工程）。この工程は、例えばチャネル形成体２としてシリコーンゴムを用い、支持体７として樹脂フィルムを用いれば、支持体７をチャネル形成体２に完全に接着させることなく基材３との接合を行うことができるので、その後支持体７である樹脂フィルムをチャネル形成体２から剥がすことにより容易に行うことができる。
【００５７】
図７は、上記のように接合後支持体を取り除いた状態のマイクロ流体素子の断面図である。この状態では、マイクロチャネル４、空隙５の形成されたチャネル形成体２の外面に、支持体としての樹脂フィルム等は配置されていないが、この状態でもマイクロ流体素子として十分使用可能である。
【００５８】
そして、図６と図７とを比較すれば明らかなように、図７に示すマイクロ流体素子では支持体がない分厚さが薄くなっており、チャネル形成体２及び基材３ともに可撓性を有する材料で作製すれば、前述のように１ｍｍ以下の厚みで柔軟性を有し、しかもマイクロチャネルの形状が変形していない本発明の第２のマイクロ流体素子を得ることができる。
【００５９】
次に、作製された本発明のマイクロ流体素子を用いた電源（マイクロ流体デバイス）としての応用について説明する。
図８は、前記図３、４に示した支持体７がチャネル形成体２に内包されたマイクロ流体素子の、一方の分岐した２つの流路から異なる流体（酸性溶液、アルカリ性溶液）を流したときの状態を示す断面図である。
【００６０】
図に示すように、マイクロチャネル４内では、酸性溶液９とアルカリ性溶液１０とが層流を成して移動している。そして、マイクロチャネル４内での酸性溶液９とアルカリ性溶液１０との化学的な反応による電気エネルギーは、基材３の表面に形成された電極６を通じて計測あるいは抽出される。
したがって、本発明のマイクロ流体素子を上記のようにして用いれば、例えば薄型で柔軟性を有する電源とすることができる。
【００６１】
図９は、図８に示すようなマイクロチャネル４に酸性溶液９とアルカリ性溶液１０とを層流として流したときの、電極６の単位面積あたりの電流密度と電力密度の関係の一例を示したものである。理想的には電流密度に対して電力密度がより大きいことが望ましいが、用いる溶液や層流の状態等によって図９に示す電流密度の飽和が起こってしまう。したがって、この電力密度をより大きくするためにもマイクロチャネル４の変形量を小さくすることが好ましい。
【００６２】
＜マイクロ流体素子搭載装置＞
図１０は、本発明のマイクロ流体素子を搭載した装置の一例である表示装置の概念図である。
図１０に示す装置では、可撓性を有する表示素子１１（可撓性素子）の両側に、図８に示した電源としてのマイクロ流体素子１が複数配置されている。本発明のマイクロ流体素子は、前記のように薄くて柔軟性を素子とすることができるため、図１０に示すようなフィルム状の表示装置に用いた場合でも表示装置全体の可撓性を損なうことなく、前記のようにマイクロ流体素子１内で発生した化学的な反応による電気エネルギーを用いて、可撓性を有する表示素子１１を駆動させることが可能である。
【００６３】
前記可撓性素子としては、例えばフィルム上に形成された液晶素子や有機ＥＬ素子などを挙げることができるが、表示素子だけでなく、センサーなどに用い得る各種変換素子等も例示することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００６５】
＜実施例＞
（マイクロ流体素子１の作製）
断面として図４に示す構造のマイクロ流体素子１の作製プロセスを、図１１により順次説明する。
−チャネル形成体の作製−
まず、図１１（ａ）に示すようなシリコンウェハ１０１（直径：３インチ）上に、エポキシ系厚膜レジストパターン１０２を形成し鋳型１００を作製した。具体的には、エポキシ系レジストＳｕ−８（化薬マイクロケム社製）を用い、スピンコートにより成膜した後、フォトマスクを通して露光し、現像して１００μｍの段差を有するパターン１０２（マイクロチャネル及び空隙部の凹凸反転パターン）を形成した。
【００６６】
ここで、流体が移動するマイクロチャネル及び空隙の形状に対応するフォトマスクパターンは、予めＣＡＤデータから作製した。具体的には、全体のパターンは図３に示すものと同様とし、マイクロチャネル４は全長４５ｍｍ、左右の分岐した部分の長さを１０ｍｍ、幅を２５０μｍ、合流部の長さを２５ｍｍ、幅を５００μｍとした。また、空隙５は全長４０ｍｍ、幅５００μｍとし、前記合流部に対応する位置に２ｍｍずつの間隔を置いて長さ５ｍｍ、幅５００μｍのクロスする空隙５を３箇所設けた。
【００６７】
次に、シリコンウェハ１０１上にエポキシ系厚膜レジストパターン１０２が形成された鋳型１００を用いて、図１１（ｂ）に示すようにチャネル形成体となるシリコーンゴム１０３をモールドした。具体的には、２液硬化型シリコーンゴムであるシルポット１８４（ダウコーニングアジア社製）の主剤と副剤とを混合し、真空中にて十分脱泡後、前記鋳型１００上に充填した。室温に３時間放置後、図１１（ｃ）に示すように、支持体１０４となる厚さ１２５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム（曲げ弾性率：２．３５×１０3ＭＰａ）を充填されたシルポット１８４（図における１０３）上に配置した後、図１１（ｄ）に示すように、さらに脱泡したシルポット１８４を充填した。
【００６８】
この時、充填する前記シリコーンゴム１０３の厚みは、最初の充填時に３００μｍ程度とし２度の充填分合わせて４００μｍ程度に制御した。さらに、室温で１２時間程度水平な場所に放置しシルポット１８４の重合反応を完了させた。
その後、鋳型１００から重合反応が完了したシリコーンゴム１０３を取り外し、図１１（ｅ）に示すような、ＰＥＴフィルムを支持体１０４として内包するシリコーンゴムを主体とするチャネル形成体１２０を得た。
【００６９】
−基材との接合−
図１１（ｆ）〜（ｈ）に示すように、別の厚さ１２５μmのＰＥＴフィルム１０６上に、一般的なフォトリソグラフィー技術によりレジストパターン１０５を形成し、白金１０７を真空蒸着して、厚さ０．３μｍの白金電極パターン１０８を形成し基材１３０を得た。
なお、上記電極パターン１０８は図３、４に示すように、接合後のチャネル形成体の接合部分とマイクロチャネルとなる溝部分とに跨るように形成されており、長さ１０ｍｍ、２つの電極間隔は５００μｍとした。
【００７０】
次に、前記チャネル形成体１２０と基材１３０とを、アライメント機能を有するマスクアライメント装置（ミカサ社製）により、図１１（ｉ）に示すように、チャネル形成体１２０のマイクロチャネル部とマイクロチャネルと対向する基材１３０の電極部１０８の位置合わせを行った後、両者を４９００Ｐａ程度の圧力で接触させるとシリコーンゴムの粘着性により接合され、図１１（ｊ）に示すようなマイクロ流体素子１が得られた。
このマイクロ流体素子１について、マイクロチャネルの流路方向と垂直方向に切断し、断面を顕微鏡にて確認したところ、マイクロチャネルの変形はほとんど見られなかった（Ｈmin／Ｈmax≒１）。
【００７１】
（マイクロ流体素子２の作製）
断面として図６に示す構造のマイクロ流体素子２の作製を、図１２により順次説明する。
−チャネル形成体の作製−
前記マイクロ流体素子１のチャネル形成体の作製と同様にして、図１２（ａ）に示すような鋳型２００を作製した後、２液硬化型シリコーンゴムであるシルポット１８４（ダウコーニングアジア社製）の主剤と副剤とを混合し、真空中にて十分脱泡後、図１２（ｂ）に示すように鋳型２００上に充填した。この時、充填するシルポット１８４の厚みは２００μｍ程度に制御した。室温に３時間放置後、図１２（ｃ）に示すように、支持体２０４となる前記と同様の厚さ１２５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを充填されたシルポット１８４（図における２０３）上に配置した。
【００７２】
さらに、室温で１２時間程度水平な場所に放置しシルポット１８４の重合反応が完了させた。その後、鋳型２００から重合反応が完了したシリコーンゴム２０３を取り外し、図１２（ｄ）に示すような、ＰＥＴフィルムを支持体として貼り合わせたシリコーンゴムを主体とするチャネル形成体２２０を得た。
【００７３】
−基材との接合−
マイクロ流体素子１における基材と同様にして、図１２（ｅ）〜（ｇ）に示すように電極パターン２０８を有する基材２３０を得た。その後、マイクロ流体素子１の作製と同様にして、チャネル形成体２２０と基材２３０とを接合し（図１２（ｈ））、図１２（ｉ）に示すようなマイクロ流体素子２が得られた。
このマイクロ流体素子２についても、マイクロチャネルの流路方向と垂直方向に切断し、断面を顕微鏡にて確認したところ、マイクロチャネルの変形はほとんど見られなかった（Ｈmin／Ｈmax≒１）。
【００７４】
（マイクロ流体素子３の作製）
マイクロ流体素子２と同様にして、支持体としてのＰＥＴフィルムがチャネル形成体の外面に配置されたマイクロ流体素子を作製し、その後、チャネル形成体上のＰＥＴフィルムを取り除き、図１２（ｊ）に示すようなマイクロ流体素子３を得た。
このマイクロ流体素子３におけるマイクロチャネルも変形はほとんどなかった（Ｈmin／Ｈmax≒１）。
【００７５】
（マイクロ流体素子の評価）
マイクロ流体素子１〜３は、いずれもマイクロチャネルが変形していないほぼ同様のマイクロ流体素子であったため、代表してマイクロ流体素子１について評価を行った。
【００７６】
図３に示すようなマイクロ流体素子１におけるマイクロチャネル４の片側の分岐した流路から、各々酸性溶液とアルカリ性溶液とを外部ポンプを用いて１ｍｌ／ｍｉｎの流速で導入したところ、白金電極６付近で安定した層流が得られた。
なお、酸性溶液としては、０．５ｍｏｌ／ｌの硫酸と、１ｍｏｌ／ｌの過酸化水素水とを２：１の割合で混合した溶液を、アルカリ性溶液としては、１ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウムと、１ｍｏｌ／ｌの過酸化水素水とを２：１の割合で混合した溶液を用いた。
【００７７】
このとき、白金電極６に外部抵抗を接続すると、図７の計測例に示すように電力が出力され、いわゆる燃料電池が形成された。また、前記電力は前記の条件で溶液を流し続けることにより、安定した電力として得ることができた。
【００７８】
したがって、このマイクロ流体素子をマイクロチップ型燃料電池として液晶素子や有機ＥＬ素子がフィルム上に形成された表示素子に一体化させることにより、例えば図１０に示すような電源内蔵型の可撓性表示装置を得ることができることがわかった。
【００７９】
＜比較例＞
実施例のマイクロ流体素子２の作製において、鋳型２００上にシリコーンゴムを充填した後、ＰＥＴフィルムを配置することなく重合反応を完了させ、支持体を貼り合わせていないチャネル形成体を作製した。
次いで、マイクロ流体素子２の作製と同様にして基材との接合を行い、マイクロ流体素子４を得た。
【００８０】
このマイクロ流体素子４について、マイクロチャネルの流路方向と垂直方向に切断し、断面を顕微鏡にて確認したところ、マイクロチャネルが大きく変形しており（Ｈmin／Ｈmax＝０．１）、流路がつぶれていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明のマイクロ流体素子の一例を示す平面図である。
【図２】本発明のマイクロ流体素子の一例を示す断面図である。
【図３】本発明のマイクロ流体素子の他の一例を示す平面図である。
【図４】本発明のマイクロ流体素子の他の一例を示す断面図である。
【図５】接合時のチャネル形成体の状態を示す模式的断面図である。
【図６】本発明のマイクロ流体素子の他の一例を示す断面図である。
【図７】本発明のマイクロ流体素子の他の一例を示す断面図である。
【図８】マイクロチャネル内の酸性溶液とアルカリ性溶液との層流状態を示す概略図である。
【図９】酸性溶液とアルカリ性溶液との化学反応により得られた電力の測定結果を表す図である。
【図１０】本発明のマイクロ流体素子搭載装置の一例を示す概念図である。
【図１１】本発明のマイクロ流体素子の作製方法の一例を示す概要図である。
【図１２】本発明のマイクロ流体素子の作製方法の他の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  マイクロ流体素子
２、１２０、２２０  チャネル形成体
３、１３０、２３０  基材
４  マイクロチャネル
５  空隙
６  電極
７、１０４  支持体
９  酸性溶液
１０  アルカリ性溶液
１１  表示素子
１２  可撓性表示装置（マイクロ流体素子搭載装置）
１０１、２０１  シリコンウェハ
１０２、２０２  厚膜レジストパターン
１０３、２０３  シリコーンゴム
１０６  ＰＥＴフィルム
１０５、２０５  レジストパターン
１０７、２０７  白金
１０８、２０８  電極パターン
【図１】
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【図２】
2005349500.tif 000003
【図３】
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【図４】
2005349500.tif 000005
【図５】
2005349500.tif 000006
【図６】
2005349500.tif 000007
【図７】
2005349500.tif 000008
【図８】
2005349500.tif 000009
【図９】
2005349500.tif 000010
【図１０】
2005349500.tif 000011
【図１１】
2005349500.tif 000012
【図１２】
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